Кіріспе

Физикада Раман шашырауы немесе Раман эффектісі – материяның фотондарды эластикалық емес шашырауы, яғни энергия алмасу және жарық бағытының өзгеруі болып табылады. Әдетте, бұл әсер молекуланың вибрациялық энергиясын көзге көрінетін лазерден түскен фотондардың энергиясы төмендеген кезде қабылдауымен байланысты. Бұл қалыпты Стокс Раман шашырауы деп аталады. Жарықтың материал арқылы шашырауының белгілі бір ықтималдығы бар. Фотондар шашырағанда, олардың көпшілігі эластикалық шашырауға (Рейли шашырауына) ұшырайды, яғни шашыраған фотондардың энергиясы (жиілігі, толқын ұзындығы және түсі) түскен фотондармен бірдей болады, бірақ бағыты өзгеше. Рейли шашырауының қарқындылығы әдетте сәулелену көзіне қатысты 0,1%-дан 0,01%-ға дейін ауытқып жатады. Шашыраған фотондардың өте аз бөлігі (шамамен миллионнан бір бөлігі) эластикалық емес шашырауға ұшырайды, мұнда шашыраған фотондардың энергиясы түскен фотондардан өзгеше (әдетте төмен) болады – бұл Раман шашыраған фотондары. Энергия сақталу заңына сәйкес, материал осы процесте энергияны қабылдайды немесе жоғалтады. Химиктер мен физиктер Раман спектроскопиясының әртүрлі түрлерін қолдану арқылы материалдар туралы ақпарат алу үшін осы эффектіні пайдаланады. Раман спектроскопиясының көптеген басқа түрлері газ үлгілері қолданылса айналу энергиясын, ал рентген сәуле көзі қолданылса электрондық энергия деңгейлерін зерттеуге мүмкіндік береді. Импульсті лазерлерді, бірнеше лазер сәулелерін және т.б. қолданатын күрделі әдістер де белгілі. Раман эффектісі 1928 жылы өзінің студенті К. С. Кришнанның көмегімен оны ашқан үнді ғалымы С. В. Раманның есімімен аталады. Раман 1930 жылы Раман шашырауын ашқаны үшін физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Бұл эффектті 1923 жылы Адольф Смекал теориялық тұрғыдан болжаған болатын.

Тарих

Жарық өз энергиясын сақтайтын Рели шашырауы деп аталатын жарық шашырауының серпімді құбылысы 19 ғасырда сипатталған. Рели шашырауының қарқындылығы қоздырғыш қарқындылығына қарағанда шамамен 10−3 – 10−4 шамасында. 1908 жылы Мие шашырауы деп аталатын серпімді шашыраудың тағы бір түрі ашылды. Адольф Смекаль 1923 жылы жарықтың серпімсіз шашырауы туралы болжаған. Ескі неміс тіліндегі әдебиетте бұл эффект Смекаль-Раман эффектісі деп аталады. 1922 жылы үнді физигі С.В. Раман «Жарықтың молекулалық дифракциясы» атты жұмысын жариялады, бұл оның әріптестерімен бірлесе жүргізген зерттеулер сериясының бастауы болды, нәтижесінде ол өз атын алған сәулелену эффектін ашты (16 ақпан 1928 ж.). Раман эффектісі алғаш рет Раман және оның әріптесі К.С. Кришнан, сондай-ақ Григорий Ландсберг пен Леонид Мандельштам 1928 жылғы 21 ақпанда (Раман мен Кришнаннан 5 күн кейін) Мәскеуде хабарлады. Бұрынғы Кеңес Одағында Раманның еңбегіне қатысты пікірлер әрқашан да даулы болды; сондықтан орыс ғылыми әдебиетінде бұл эффект көбінесе «комбинациялық шашырау» деп аталады. Раман жарық шашырауын зерттегені үшін 1930 жылы Нобель сыйлығын алды. 1998 жылы Раман эффектісі сұйықтардың, газдардың және қатты денелердің құрамын талдау құралы ретіндегі маңыздылығын мойындау үшін Америкалық химия қоғамы оны Ұлттық тарихи химиялық ескерткіш деп жариялады.

Аспаптар

Қазіргі заманғы Раман спектроскопиясы көбінесе жарық қоздырғыш ретінде лазерлерді пайдалануды қамтиды. Лазерлер эффект ашылғаннан кейін үштен астам онжылдықтар өткен соң ғана қолжетімді болғандықтан, Раман мен Кришнан спектрлерді тіркеу үшін сынап шамдарын және фотопластинкаларды қолданды. Әлсіз жарық көздері, детекторлардың төмен сезімталдығы және көптеген материалдардың Раман шашырауының нашар қимасының салдарынан алғашқы спектрлерді алуға сағаттар немесе тіпті күндер жұмсалды. Ең көп қолданылатын қазіргі детекторлар – зарядталған құрылғылар (CCD). CCD-лерді пайдалануға дейін фотодиодтық тізбектер және фотокөбейтілгіштер жиі қолданылатын.

Теория

Келесі мәтін дискретті молекулалардың жарықтың қалыпты (резонанссыз, спонтанды, тербелістік) Раман шашырауының теориясына бағышталған. Рентгендік Раман спектроскопиясы тұжырымдамалық тұрғыдан ұқсас, бірақ тербеліс деңгейлерінің емес, электрондық деңгейлердің қозуын қамтиды.

Молекулалық тербелістер

Раман шашырауы көбінесе молекуладағы дірілдер туралы ақпарат береді. Газдар үшін, айналу энергиясы туралы да мәлімет алуға болады. Қатты денелерде фонондық режимдер де байқалуы мүмкін. Молекулалық дірілдерге қатысты инфрақызыл сәуленің жұтылу принциптері Раман шашырауына да қатысты, бірақ таңдау ережелері әртүрлі.

Еркіндік деңгейлері

Кез келген молекула үшін барлығы 3N еркіндік дәрежесі бар, мұнда N – атомдар саны. Бұл сан молекуладағы әрбір атомның үш өлшемде қозғалу мүмкіндігінен туындайды. Молекулалармен жұмыс істегенде, молекуланың тұтастай қозғалысын қарастыру жиі кездеседі. Осылайша, 3N еркіндік дәрежесі молекулалық трансляциялық, ротациялық және тербеліс қозғалысына бөлінеді. Үш еркіндік дәрежесі молекуланың тұтастай трансляциялық қозғалысына сәйкес келеді (үш кеңістік өлшемінің әрқайсысы бойынша). Сол сияқты, үш еркіндік дәрежесі молекуланың белгілі бір осьтер бойынша ротациясына сәйкес келеді. Сызықтық молекулалардың тек екі ротациясы болады, себебі байланыс осі бойымен ротация молекуладағы атомдардың орнын өзгерте алмайды. Қалған еркіндік дәрежелері молекулалық тербеліс түрлеріне сәйкес келеді. Бұл түрлерге молекуланың химиялық байланыстарының созылу және иілу қозғалыстары кіреді. Сызықтық молекула үшін тербеліс түрлерінің саны 3N-5, ал сызықтық емес молекула үшін тербеліс түрлерінің саны 3N-6 болады. Молекуланың төменгі тербеліс энергиялық күйге түсуіне себеп болатын фотон энергиясының артуы анти-Стокс шашырауы деп аталады.

Раман шашырауы

Раман шашырауы лазерлік фотондардың энергиясына сәйкес келетін виртуалды электрондық энергия деңгейін қамтиды. Фотонды жұту молекуланы жорамал күйіне жеткізеді, ал қайта шығару Раман немесе Рэйли шашырауына әкеледі. Барлық үш жағдайда да соңғы күй бастапқы күймен бірдей электрондық энергияға ие, бірақ Стөкс-Раман шашырауы жағдайында тербеліс энергиясы жоғары, анти-Стокс-Раман шашырауы жағдайында төмен, ал Рэйли шашырауы жағдайында бірдей болады. Әдетте, бұл толқын сандары тұрғысынан қарастырылады, мұнда лазердің толқын саны, ал – тербеліс ауысуының толқын саны. Осылайша, Стөкс шашырауы толқын санын береді, ал анти-Стокс шашырауына беріледі. Лазерлік қоздыру энергиясы молекуланың электрондық қоздыру энергиясына сәйкес келгенде, резонанстық Раман эффекті пайда болады. Классикалық физикаға негізделген модель Раман шашырауын түсіндіре алады және жарық жиілігінің төртінші дәрежесіне пропорционал интенсивтіліктің артуын болжайды. Молекуланың жарық шашырауы индукцияланған электр диполінің тербелісімен байланысты. Электромагниттік сәулеленудің тербелістік электр өрісінің компоненті молекулада индукцияланған дипольді тудыруы мүмкін, ол молекулалық тербелістермен модуляцияланатын ауыспалы электр өрісіне сәйкес келеді. Сондықтан сыртқы өрістің жиілігінде тербелістер, сонымен қатар сыртқы өрістен және қалыпты тербеліс режимдерінен туындайтын соққы жиіліктері байқалады. Бір бағытта поляризацияланған жарық тек кейбір Раман-активті режимдерге қол жеткізеді, бірақ поляризацияны бұру басқа режимдерге мүмкіндік береді. Әр режим өзінің симметриясына сәйкес бөлінеді. Тербеліс режимінің симметриясы деполяризациялық қатынас ρ арқылы анықталады, ол инциденттік лазерге перпендикуляр поляризациясы бар Раман шашырауының және инциденттік лазер сияқты поляризациясы бар Раман шашырауының қатынасы: Мұнда – анализаторды инциденттік жарықтың поляризациялық осіне қатысты 90 градусқа бұрғандағы Раман шашырауының интенсивтілігі, ал – анализатор инциденттік лазердің поляризациясымен сәйкестендірілгендегі Раман шашырауының интенсивтілігі. Поляризацияланған жарық молекуламен өзара әрекеттескенде, ол молекуланы бұрмалайды, бұл жазық толқынында тең және қарама-қарсы әсерді тудырады, оның нәтижесінде молекуланың бағыты мен жарық толқынының поляризация бұрышы арасындағы айырмаға байланысты бұрылу пайда болады. Егер , онда бұл жиіліктегі тербелістер деполяризацияланады; яғни, олар толық симметриялық емес. Импульстің ұзақтығы барлық маңызды уақыт константаларынан қысқа болуы керек. Раман және инциденттік жарықтың араласуы соққы жиіліктеріне мүмкіндік бермейтіндей қысқа, сондықтан ол жиілік ауысуын тудырады, ең жақсы жағдайда, импульстің ұзақтығының кубына кері пропорционалды. Лабораторияларда фемтосекундтық лазерлік импульстерді қолдану қажет, өйткені импульстер тым ұзақ болса ISRS өте әлсіз болады. Осылайша, ISRS-ті қарапайым уақытпен байланыссыз жарық беретін наносекундтық импульстерді пайдалану арқылы байқау мүмкін емес.

Кері әсерлі Раман эффектісі

Кері Раман эффектісі – Раман шашырауының бір түрі, алғаш рет В. Дж. Джонс және Борис П. Стойчефф байқаған. Кейбір жағдайларда, Стокстің шашырауы анти-Стокстің шашырауынан басып өтеді; мұндай жағдайларда, континуум (материалдан шыққан кезде) νL+νM жиілігінде сіңіру жолағын (интенсивтіліктің төмендеуін) көрсетеді. Бұл құбылыс кері Раман эффектісі деп аталады; құбылысты қолдану кері Раман спектроскопиясы деп, ал континуумның тіркелген нәтижесі кері Раман спектрі деп аталады. Кері Раман эффектісін алғаш сипаттаған авторлар жоғары жиілікті континуумнан сіңіруді де, төмен жиілікті континуумнан сіңіруді де қарастырады. Олар төмен жиілікті континуумнан сіңірудің, егер материалдың Раман жиілігі тербелістік сипатта болса және материал термиялық тепе-теңдікте болса, байқалмайтынын көрсетеді.

Суперконтинуумды өндіру

Жоғары интенсивті үздіксіз толқын (CW) лазерлері үшін стимуляцияланған Раман шашырауы кең жолақты суперконтинум жасау үшін қолданылуы мүмкін. Бұл процесті төрт толқынның араласуының ерекше жағдайы ретінде қарастыруға болады, онда екі кіріс фотонының жиіліктері тең болып, шығарылған спектрлер фонон энергиясымен кіріс жарығынан бөлінген екі жолақта табылады. Бастапқы Раман спектрі спонтанды сәуле шығару арқылы қалыптасады және кейін күшейтіледі. Ұзын талшықтардағы жоғары сорғылау деңгейлерінде Раман спектрін жаңа бастапқы нүкте ретінде пайдаланып, жоғары ретті Раман спектрлерін жасауға болады, осылайша амплитудасы төмендейтін жаңа спектрлер тізбегі құрылады. Бастапқы спонтанды процеске байланысты туындайтын ішкі шудың кемшілігі бастапқыда спектрді қоздыру арқылы немесе процесті тұрақтандыру үшін резонатордағы кері байланыс циклын қолдану арқылы жеңілуі мүмкін. Бұл технология жылдам дамып келе жатқан талшықты лазерлер саласына оңай бейімделеді және көлденең когерентті жоғары интенсивті жарық көздеріне (мысалы, кең жолақты телекоммуникация, бейнелеу салалары) сұраныс болғандықтан, Раман күшейту және спектр жасау жақын арада кеңінен қолданылуы мүмкін.

Қолданбалар

Раман спектроскопиясы заттарды талдау үшін Раман эффектісін қолданады. Раман шашыраған жарықтың спектрі қатысқан молекулалық құрамдастар мен олардың күйіне байланысты, бұл спектрді материалды анықтау және талдау үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Раман спектроскопиясы газдар, сұйықтар және қатты денелерді қоса алғанда, кең ауқымды материалдарды талдау үшін қолданылады. Биологиялық организмдер мен адам тіндері сияқты өте күрделі материалдар да Раман спектроскопиясы арқылы талдануы мүмкін. Қатты материалдар үшін Раман шашырауы жоғары жиілікті фонондық және магнондық қозуларды анықтау құралы ретінде қолданылады. Раман лидары атмосфералық физикада атмосфераның жоғалу коэффициентін және су буының тік таралуын өлшеу үшін қолданылады. Стимулданған Раман өтулері тұтқынға түскен иондардың энергия деңгейлерін, сонымен қатар негізгі кубит күйлерін басқару үшін де кеңінен қолданылады. Раман спектроскопиясы инфрақызыл сәулелерді жұтпайтын молекулалар үшін күш тұрақтысы мен байланыс ұзындығын анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Раман күшейткіші оптикалық күшейткіштерде қолданылады. Раман эффектісі көк аспанның түсінің пайда болуына да қатысады (Рейли шашырауы: "Атмосферадағы молекулалық азот пен оттегінің Рейли шашырауы эластикалық шашырауды, сондай-ақ ауадағы айналма Раман шашырауының эластикалық емес үлесін қамтиды"). Раман спектроскопиясы биологиялық жүйелердегі нуклеин қышқылдары сияқты кішкентай молекулаларды тербеліс таңбасы арқылы химиялық бейнелеу үшін қолданылады.